温度和流量串级控制方案和原理

第三章 控制系统的控制方案及原理

3.1 控制方案的确定

温度流量串级控制实验是以串级控制系统来控制换热器热水出口温度， 以换热器冷水流量为副对象，流量变动的时间常数小，时延小，控制通路短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速，反应灵敏等要求。

换热器热水出口温度为主对象，冷水流量的改变需要经过一定时间后通过换热器的热交换才能反映到换热器热水出口温度，时间常数比较大，时延大。将主调节器的输出作为副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。

反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与负反馈值相同。若参数比较理想，且主回路扰动较小，经过副回路的及时控制校正，不影响换热器热水出口温度。如果扰动比较大或参数并不理想，则经过副回路的校正，还将影响主回路的温度，此时再由主回路进一步调节，从而完成克服上述扰动，使换热器热水出口温度调节到给定值上。例如当通过调节变频器改变左边水泵的频率时，即改动了热水的流量，将立即影响到换热器热水出口温度，如果没有副回路，主回路将产生校正作用，克服扰动对温度的影响。但是由于副回路的存在，加快了校正作用，使扰动对主回路的温度影响较小。

串级控制系统方框图如图 3-1 所示，各个回路独立调整结束，使得主调节器输出与副调节器给定值相差不是太远。副回路对FT102进行控制，这个反应比较快，副回路控制目的是很快把流量控制回给定值。

主回路对换热器热水出口温度TE103进行控制。 可以在换热器热水出口加入主回路干扰，要平衡这个干扰，则需要经过流量调整，通过 FT102来平衡这个变化。

测量与控制端连接表 ：

X 主调节器 副调节器 LIC102 换热器热水出口温TE103 TE103 主回路干扰 给定值+ -

图3-1 换热器热水出口温度和冷水流量串级控制框图

X - 调节阀 FV101 电磁流量计01 流量FT102

换热器热水出口温度 变频器干扰 右边水泵

测量或控制量测量或控制量标号使用控制器端口

电磁流量计FT102 AI0

换热器热水出口温度TE103 AI1

调节阀FV101 AO0

3.2 主、副调节器控制规律的选择

在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本出发点。

主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可以了。一般不引入积分控制规律。因为副参数允许有余差，而且副调节器的放大系数较大，控制作用强，余差小，若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。一般也不引入微分控制规律，因为副回路本身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作过大，对控制不利。

3.2.1 PID 控制规律的特点

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称PID 调节。PID 控制器问世至今已有近70 年历史，它以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。

1比例(P)控制器

P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在信号变换过程中，P控制器只改变信号的增益而不影响其相位。在串级校正中，加大控制器增益Kp,可以提高系统的开环增益，减小系统稳态误差，从而提高系统的控制精度，但会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统不稳定。因此，在系统校正系统中，很少单独使用比例控制规律。

比例控制是最简单最基本的控制规律，能迅速有效地克服干扰的影响，或使被控变量能迅速跟踪设定值的变化，过渡过程时间短，而且只有一个参数需要整定。但是，过渡过程结束后有余差存在。因此，比例控制器适用于负荷变化较小、

自衡能力较强、对象控制通道中的纯滞后时间和时间常数之比（τ/T）较小、工艺上允许有余差存在、控制质量要求不高的场合。

2 比例积分微分（PID）控制器

PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。

比例积分微分控制器又称三作用控制器，它综合了各种控制器的优点，既能克服对象的容量滞后，减小动态偏差，提高系统的稳定性，又能消除系统的余差。如果能对三个参数（比例度δ，积分时间TI和微分时间TD）加以适当整定，可以使系统具有最好的控制性能。比例积分微分控制器适用于控制对象负荷变化大、对象容量滞后较大、工艺要求无余差、控制质量的系统但是，对于纯滞后很大、负荷变化很大的系统，三作用控制器同样无能为力。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。

3.2.2 串级控制系统的参数整定及方法

PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。几种常用的控制器参数的工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试等几种。

1. 临界比例度法

在系统闭环情况下，将控制器的积分时间 iT 放到最大，微分时间 d T 放到最小，比例度δ放于适当数值(一般为 100%)。然后使δ由大到小逐步改变，并且每改变一次δ值时，通过改变给定值给系统施加一阶跃干扰，同时观察被控变量 y 的变化情况。若 y 的过渡过程呈衰减振荡，则继续减小δ值，若 y 的过渡过程呈发散振荡，则应增大δ值，直到调至某一δ值，过渡过程出现不衰减的等幅振荡为止。如图 3-2 所示：